抗硫酸鹽侵蝕樁基混凝土制備及耐蝕性能研究

蘇開春 張杰 許圣祥 周孝軍 薛吉虬

摘要：為了滿足南充嘉陵江大橋C45水下樁基礎混凝土高流動性施工要求，并考慮工程所處高硫酸鹽侵蝕服役環境，文章探討了消泡劑、流變密實劑和抗硫酸鹽侵蝕抑制劑等復摻對混凝土性能的影響，同時通過硫酸鹽干濕循環侵蝕試驗，對樁基混凝土的耐蝕性進行了研究。結果表明：消泡劑的摻入有利于混凝土工作性能與力學性能的提升；流變密實劑可增加混凝土的稠度與粘聚性，但一定程度上會降低混凝土和易性與力學性能；抗侵蝕抑制劑的加入，與消泡劑、流變密實劑適配性較高，混凝土坍落度均在250 mm以上，擴展度在600 mm以上，所制得的混凝土耐蝕系數達到KS150，滿足實際工程樁基施工與耐蝕性需要。

關鍵詞：樁基混凝土；抗硫酸鹽侵蝕；配合比設計；干濕循環；抗侵蝕抑制劑

中圖分類號：U416.03? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4974（2024）04-0022-04

0 引言

硫酸鹽侵蝕破壞是影響混凝土材料損傷破壞與耐久性的重要因素之一，且損傷后難以修復［1-4］。嘉陵江大橋A4標段樁基礎處于硫酸鹽環境，地下水循環交替強烈，水內SO2-4含量高達1 691.36 mg/L。服役環境中的SO2-4進入樁基混凝土內部，與混凝土中的水化產物氫氧化鈣、水化鋁酸鈣發生化學反應生成石膏和鈣釩石等難溶的鹽類礦物，難溶的鹽類礦物吸收水分子而產生體積膨脹，形成膨脹內應力和龜裂。硫酸鹽侵蝕不僅破壞混凝土微結構，而且會使混凝土酸性增強，溶解混凝土中的鈣化合物和金屬補償材料，降低混凝土的強度和耐久性，影響樁基承載能力，增加結構的變形和破壞風險［5-8］。因此有必要對硫酸鹽環境中的樁基混凝土進行抗硫酸鹽侵蝕設計。

抗硫酸鹽侵蝕混凝土設計應保證混凝土的密實度與早期強度，能夠減緩硫酸根離子遷移，避免其侵蝕混凝土內部微結構［9-10］。考慮嘉陵江大橋樁基混凝土采用導管法水下施工，質量要求高，為實現高流態且具有抗硫酸鹽侵蝕能力的混凝土制備，本文選擇消泡劑［11-12］、流變密實劑以及抗侵蝕抑制劑混摻對混凝土性能進行調整，以改善混凝土流變性與早期強度［13-14］，并結合抗硫酸鹽侵蝕耐久性試驗研究混凝土耐蝕性能［15-16］，為嘉陵江大橋樁基混凝土澆筑施工與耐蝕性能的提升提供技術支撐。

1 原材料與配合比設計

1.1 原材料

試驗所采用的水泥為海螺牌P瘙簚O42.5水泥，水泥的技術指標詳見表1。粉煤灰采用江油Ⅱ級粉煤灰，細度22.5%（45 [WTBZ]μm方孔篩篩余），需水量比100%，燒失量6.8%，技術指標詳見表2。硅灰采用成都東藍星新材料有限公司EBS-94微硅粉，SiO2含量95.2%，需水量比107%，燒失量2.4%，技術指標詳見表3。細集料采用機制砂，表觀密度2 605 kg/m3，堆積密度1 640 kg/m3，空隙率39.6%，細度模數2.7，石粉含量8.6%，MB值1.0。粗集料采用卵碎石，按大、小石子比例6∶4選用，壓碎指標8.6%、針片狀含量7.7%，表觀密度2 645 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3，空隙率41.6%。減水劑采用山西誠鑫聚生產的減水劑CXJ-AH，其減水率為26.3%。抗侵蝕抑制劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的SBT-TIA抗侵蝕抑制劑，技術指標見表4。

1.2 試驗方案

試驗旨在探究消泡劑、流變密實劑與抗侵蝕抑制劑復摻，對新拌混凝土工作性能、力學性能的影響。工作性能測定包括坍落度、擴展度；力學性能主要測試7 d抗壓強度、28 d抗壓強度。通過試驗選出適宜配合比再進行耐蝕性能研究。

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試件。試件成型后自然養護24 h后拆模，將試件移入養護箱標準養護。坍落度、擴展度、倒坍時間及7 d、28 d抗壓強度測試方法均按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2016）執行測定。

耐蝕性能測試選用干濕循環試驗裝置進行，采用5% Na2SO4溶液浸泡，分別在干濕循環侵蝕90次、120次、150次時進行耐蝕系數測定。試驗方法均按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）執行。

1.3 配合比設計

試驗共設計8組配合比，詳見表5。XA、XB組分別設計消泡劑摻量為0.15%、0.20%。L25、L50組分別設計流變密實劑復合摻量為25 g/t、50 g/t。JC1、JC2、JC3分別對應三種不同膠材體系，水泥用量分別為340 kg/m3、330 kg/m3、350 kg/m3。S1組改變用水量，調節水膠比至0.36。

2 試驗結果與分析

2.1 摻入消泡劑的影響

消泡劑摻量變化對混凝土工作與力學性能的影響規律如圖1所示。隨消泡劑摻量的增加，混凝土工作性能與力學性能均有所提升。消泡劑摻量從0.15%增加至0.20%，混凝土坍落度與擴展度均有所提升，有利于樁基礎的灌注；混凝土7 d、28 d抗壓強度分別增長6.5 MPa、4.7 MPa，且7 d抗壓強度均達到28 d的80%左右。這是由于消泡劑能減少新拌混凝土中的氣泡，大氣泡的減少有利于增加混凝土密實性，使混凝土的強度得到了提升。氣泡的減少還會降低混凝土硬化后的孔隙，孔隙是有害離子傳輸的通道，孔隙的減少也會提升混凝土抗侵蝕能力，從而提升混凝土耐久性。因此，消泡劑摻量宜為0.20%。

2.2 摻入流變密實劑的影響

隨流變密實劑摻量的增加，混凝土和易性有所降低，摻量為50 g/t時下降幅度過大，不利于水下樁基混凝土澆筑。消泡劑與流變劑的復摻增加了混凝土的稠度與粘聚性，提升了混凝土包裹性、潤滑性，但流動性有所損失。此外，由于混凝土拌和物稠度增加，影響消泡、排氣效果，混凝土容重有所降低，且隨流變密實劑摻量增加，混凝土強度也有一定程度下降（如圖2所示）。工程應用應考慮流變密實劑與消泡劑的匹配，摻0.20%消泡劑時，流變密實劑的摻量宜為25 g/t。

2.3 摻入抗侵蝕抑制劑影響

復摻抗侵蝕抑制劑對混凝土性能影響如圖3所示。抑制劑的摻加對混凝土和易性有少許影響，但混凝土流動性、包裹性與粘聚性仍然較好，坍落度在250 mm以上，擴展度在600 mm以上；混凝土早期抗壓強度較不摻時均有增長。如圖4所示，消泡劑+流變密實劑+抗侵蝕抑制劑復摻時，不同膠材體系的混凝土工作性能變化不大，力學性能主要與水泥用量相關，摻合料基本不變時，水泥用量越多，早期強度越高。可見，抑制劑的摻加對工作性能與力學性能沒有明顯影響。

2.4 水膠比的影響

各組混凝土均有較好均質性，漿體飽滿，流動性好。混凝土性能變化規律如圖5所示，用水量每增加7 kg/m3后，混凝土坍落度與擴展度明顯增加，而7 d抗壓強度基本不變，28 d抗壓強度僅少許下降。摻加高品質粉煤灰與硅灰后，混凝土對用水量敏感度下降，一定程度上可增加混凝土性能穩定性，減少因砂石材料含水率波動對混凝土性能的影響。

3 混凝土耐蝕性能

嘉陵江大橋A4標段樁基礎所處環境中SO2-4高達1 691.36 mg/L，且地下水循環交替強烈，對樁基混凝土的抗侵蝕性能要求高。按照表6配合比制備試件，進行硫酸鹽干濕循環侵蝕試驗研究，其中組別A為前述研究推薦配合比（與表5中JC1組一致）；在A組配合比基礎上，組別B將普通硅酸鹽水泥替代為抗硫水泥，而組別C則不摻加抑制劑。各組試件在經歷不同次數干濕循環侵蝕后，混凝土抗壓強度耐蝕系數見下頁表7。

結果表明，抗侵蝕抑制劑能明顯提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，在經過150次干濕循環后抗壓強度耐蝕系數仍有90%，且抗侵蝕效果比采用抗硫水泥更佳。若不摻入抗侵蝕抑制劑，隨干濕循環次數增加，耐蝕系數下降幅度最明顯，不利于混凝土在硫酸鹽環境下的長期抗侵蝕耐久性。如下頁圖6所示。

4 工程應用

根據上述試驗結果，嘉陵江大橋A4標段樁基礎混凝土采用表6中A組推薦配合比。按照0.2%消泡劑+25 g/t流變密實劑+20 kg/m3抗侵蝕抑制劑復摻，并與優質活性摻合料相結合的技術方案，制備出了高抗硫酸鹽侵蝕混凝土，其到場后的工作性能以及現場養護各齡期的力學性能測試結果見表8。混凝土澆筑過程順利，14 d后經檢測樁基混凝土質量為合格，且均為Ⅰ類樁基。現場取樣混凝土試件經歷150次干濕循環侵蝕后，滿足KS150等級要求，且抗壓強度耐蝕系數為89%，具有較好的長期抗侵蝕性能。

5 結語

本文通過系列試驗研究了消泡劑、流變密實劑和抗硫酸鹽侵蝕抑制劑對混凝土工作性能、力學性能的影響，同時對制備的樁基混凝土耐蝕性能進行了測試分析，結論如下：

（1）消泡劑+流變密實劑+抗侵蝕抑制劑復摻，與活性摻合料結合后對混凝土和易性影響較少，三者適配度較高。采用該方案制備的樁基混凝土對用水量敏感性低，施工性能與力學性能好。

（2）摻加高活性摻合料后，采用普通硅酸鹽水泥與采用抗硫水泥制備的混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕等級均能達到KS150，且耐蝕系數沒有明顯差異；而摻入抗侵蝕抑制劑后，樁基混凝土耐蝕性能有較大提升。摻入高活性摻合料與抗硫酸鹽侵蝕抑制劑，能滿足樁基混凝土長期耐蝕性能要求。

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基金項目：國家自然科學基金“高海拔地區泵送鋼管混凝土氣泡形成與遷移機制及其對灌注密實度的影響機理”（編號：52008340）；國家自然科學基金聯合基金“橋梁動力效應下超高性能混凝土材料微結構調控與性能優化機理”（編號：U21A20149）

作者簡介：蘇開春（1976—），碩士，政工師，主要從事高速公路建設管理與新材料推廣應用工作。